太陽同步軌道遙感衛星星敏感器熱控設計

楊琦 王茹 江利鋒 張傳強 傅偉純

(1 北京空間飛行器總體設計部 航天器熱控全國重點實驗室,北京 100094) (2 航天系統部裝備部某局,北京 100094) (3 北京控制工程研究所,北京 100094)

對于高分辨率遙感衛星,星敏感器的測量精度直接決定了地面觀測區域的準確性及長時間觀測的連續性。然而,星敏感器熱穩定性引發的測量誤差占星敏感器總測量誤差的40%,已成為制約星敏感器精度進一步提升的瓶頸。針對星敏感器的熱控設計和實施尤為重要。

現有文獻中關于星敏感器在衛星上應用的熱控設計研究較多,研究內容和方法也各有亮點。文獻[1]針對低軌遙感衛星多探頭甚高精度星敏感器進行了熱控設計和試驗驗證,采用低膨脹系數的隔熱材料,并強化線路盒本體的均溫散熱能力,同時采用主動加熱回路保障鏡筒的溫度穩定性和溫度梯度指標;文獻[2-4]提出集熱冷板配合熱管的方案,將多臺星敏感器熱量傳導至獨立散熱面散出,溫控效果良好;文獻[5-6]提出了熱-力-光聯合仿真分析、基于開關+增量式比例積分(PI)控制算法的精密控溫方案,仿真和地面試驗結果表明有較好的精密控溫效果;文獻[7]針對典型地球同步軌道(GEO)寬溫區使用的星敏感器散熱需求,提出了輻射小艙式熱控方案,通過建立輻射傳熱鏈路對星敏感器有效控溫。

以上研究對星敏感器熱控設計均提出了可行方案,本文在此基礎上,以一臺太陽同步軌道遙感衛星上的小型長壽命星敏感器為例,定量分解其太陽熱流和環境紅外輻射等環境影響因素,并完成熱控設計方案和仿真驗證工作。

1 星敏感器外熱流和環境影響分析

星敏感器組件主要由遮光罩、線路盒外板和光學成像組件組成,如圖1所示。其中,1為遮光罩,2為頂蓋板,3為光學成像組件,4為底部法蘭,5為中央處理器(CPU)側板,6為集成電路(ASIC)側板,7為接插件側板,8為電源(Power)板側板。星敏感器本身熱耗為8W。

本文研究的遙感衛星運行在降交點為上午10:30的太陽同步軌道,星敏感器通過星敏感器支架安裝于后承力框+Y桁架處(見圖2),周邊被載荷結構呈半包圍狀,如圖2所示。此安裝位置對星敏感器散熱十分不利,星敏感器除了直接經受太陽外熱流、地球紅外和地球反照的外熱流環境在一軌內劇烈交變以外,還要間接經受后承力框桁架結構表面、外板背部上熱控多層表面的反照和紅外輻射,周邊熱環境極為復雜。需要開展對星敏感器熱環境的量化解析,針對性的進行熱控設計,以滿足星敏感器法蘭溫度波動不超過±3℃的指標要求。

圖2 星敏感器的安裝位置Fig.2 Installation location of the star sensor

1)太陽直照熱流對星敏感器的影響

星敏感器受照面有遮光罩外側、ASIC側板外側、CPU側板外側、接插件板外側、電源板外側和頂蓋板外側。通過太陽直照外熱流分析,從表1數據可知:在β角極值變化范圍內,遮光罩上外熱流高無法用于散熱;CPU側板、電源板側板和頂蓋板側板外熱流也較高;ASIC側板和接插件側板上的外熱流值較低(見圖3)。

圖3 各工況太陽輻射到達外熱流Fig.3 External heat flux from solar radiation under different operating conditions

2)環境紅外輻射影響分析

根據布局要求,星敏感器安裝在載荷+Y側板上,其位置離衛星+X板、載荷外板、載荷散熱板均較近,這幾塊板將星敏感器包圍在這一區域,星敏感器散熱受周邊環境影響比較復雜。這幾塊板的位置如圖4中綠色所示。這些板外側均布置了多層隔熱組件,其對星敏感器線路盒ASIC側板和接插件側板的輻射角系數需要計算分析,并評估周邊環境紅外輻射對星敏感器的傳熱影響。

圖4 環境紅外輻射影響示意圖Fig.4 Influence of environmental infrared radiation

星敏感器β角極值范圍內,針對ASIC側板,太陽輻射外熱流在整軌內波動范圍為32.1～93.5W/m2,周邊環境紅外輻射的波動范圍為0～27.4W/m2;針對接插件側板,太陽輻射外熱流在整軌內波動范圍為16.5～548.4W/m2,周邊環境紅外輻射的波動范圍為0～54.7W/m2。通過數據可知:紅外輻射的傳熱量比外熱流小,但量級相當,其對星敏感器的熱控設計的影響不容忽視(見圖5)。

圖5 太陽直射和環境紅外輻射影響比較Fig.5 Comparison of the influence of direct solar radiation and environmental infrared radiation

對于本文星敏感器而言,太陽直照熱流數值高且交變影響大,遮光罩受外熱流影響明顯,應和線路盒隔熱設計,線路盒側板中ASIC側板和接插件側板外熱流較小。

相較于太陽直照熱流,周邊環境紅外輻射也不可忽視。對于ASIC側板而言,環境紅外輻射占總熱量的32%,接插件側板該占比則達到了44%。若側板開設為散熱面,考慮到涂層紅外發射率高的特點,環境紅外輻射對星敏感器的熱量輸入是主要影響因素。因此在星敏感器熱控設計時應充分考慮外熱流和環境的綜合影響。

2 星敏感器熱控設計

基于星敏感器外熱流的分析結果,可以確定遮光罩和星敏感器線路盒之間需要采用隔熱設計。由于外熱流和環境紅外影響較大,遮光罩、CPU側板、電源板側板、頂蓋板外側均包覆多層隔熱組件。

經分析,本文中星敏感器有效散熱通道為底部法蘭向外傳熱,因此可以考慮在法蘭底部增設散熱罩并導熱安裝連接,目的是將星敏感器熱量導熱擴散至散熱罩上后,再通過散熱罩本身散熱面自行向外空間輻射排散,見圖6。此方案的好處有:①星敏感器內部熱量分布在電路板和成像(CMOS)芯片上,熱量向底板傳輸的熱阻較小,熱量匯集到底部后散熱罩能夠起到面向擴熱作用,防止熱流集中造成法蘭溫度超標;②沒有額外的焊接工藝等界面熱阻,熱量在散熱罩上能快速傳遞至散熱面有效向外輻射排散,且散熱面可以根據需要調整大小,給設計帶來便捷;③散熱罩參考星敏感器支架的尺寸,設計時貼近支架的外尺寸包絡,安裝時可共用裝配孔位,結構簡單輕盈,外觀簡潔美觀。此方案散熱效果良好,代價小,可行性較高。

圖6 星敏感器熱流圖Fig.6 Energy flow diagram of star sensor

3 仿真分析驗證

星敏感器在軌運行過程中,主要受到如下因素的影響:整星在軌正常的對地成像姿態外有32°側擺的工作姿態,在分析時需要考慮;另外,星敏感器在軌不開啟制冷機,熱控涂層在空間環境作用下,隨著時間的推移,其表面光學性能會發生變化。因此涂層退化也是影響星敏溫度場變化的一個因素。

綜合分析以上因素,選擇3種模式作為星敏感器在軌典型工況分別進行計算分析。通過散熱罩上外熱流分析(見圖7),得出星敏感器典型工況見表2。

圖7 散熱罩外熱流分析Fig.7 External heat flux analysis of heat dissipation hood

表2 計算工況列表Table 2 Simulation conditions

仿真結果如下。

1)制冷器不開啟

各工況下星敏感器處于正常工作狀態。星敏感器法蘭隨時間的溫度變化曲線如圖8所示(以高溫工況1為例),星敏感器主要設備的溫度水平見表3。由熱分析計算結果可知:星敏感器所有組件溫度均滿足指標要求。經統計,低溫工況下星敏感器安裝法蘭加熱回路占空比為55%,平均加熱功率為5.5W,滿足控溫回路要求。

表3 星敏感器主要設備溫度水平Table 3 Temperatures of main components in star sensor

圖8 星敏感器各部位隨時間的溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curve of various parts of the star sensor with time

2)制冷器開啟

熱分析和設計時,星敏感器上的制冷器處于關閉狀態。本節探討制冷器開啟對星敏感器散熱的影響。電源板模塊熱耗按照7.1W施加,分析了高溫工況1下法蘭的溫度情況。計算得到法蘭溫度最高約為26℃,法蘭溫度波動最大為6.7℃。因此,在本文熱控設計方案中,星敏感器內部的制冷器對溫度影響是負面的。制冷器的開啟在芯片附近造成新的熱耗,不能有效降低溫度水平,反而會使星敏感器溫控進入惡性循環。如果想利用制冷器對芯片控溫,需要介入星敏感器內部進行熱控設計,在制冷器熱端直接采取熱管等高效導熱手段,把熱量傳遞到星敏感器外再通過輻射散熱排出。通過從星敏感器內部優化導熱鏈路,熱控設計工作更加高效且占用資源代價更小,溫控效果也會更好。

4 結束語

本文以太陽同步軌道下某低軌遙感衛星上的小型長壽命星敏感器作為研究對象,深入分析了星敏感器各部件外熱流以及星敏感器受周邊環境紅外輻射的影響,并根據外熱流分析結果完成了熱控設計和仿真驗證,結果良好。該方法可以推廣應用于其他遙感衛星艙外單機在復雜環境下的熱控設計。最后,分析探討了星敏感器制冷器開啟對溫度波動的影響,對未來星敏感器的機電熱優化設計提出了建議。